Dual Fazlı Çeliklerin Isıl İşlemleri

Çift fazlı çeliklerin esas olarak, az alaşımlı veya alaşımsız az karbonlu çeliklerin Fe-C denge diyagramındaki A₁-A₃ sıcaklık aralığında (ferrit+ostenit bölgesinde) bir süre tutulup, bu sıcaklıkta ferrit ile birlikte bulunan ostenitin uygun hızdaki soğutma ile martenzite dönüştürülmesiyle üretilirler.

Çeliklerde dual fazlı mikroyapısı, A₁-A₃ kritik sıcaklıklar arasında ısıtılmayı müteakip, çeliğin sertleşme kabiliyetine bağlı olarak, uygun bir hızda soğutulmasıyla elde edilir.

Kritik sıcaklıklar arasında oluşan ostenitin, perlit veya beynite dönüşmeden, martenzit yapısının ortaya çıkmasına imkan verecek şekilde soğutma hızı seçilir. Martenzit dönüşümü olurken de ostenitin bir kısmı kalıntı ostenit olarak dönüşmeden kalır. Elde edilen mikroyapıda ostenit, martenzit ve ferrit bulunur. Ostenit ve martenzit ikinci faz olarak kabul edilip martenzit fazı olarak adlandırılmaktadır. Böylece dual fazlı çelik mikroyapının ferrit ve martenzitten ibaret olduğu kabul edilmelidir. Genellikle düşük karbonlu olarak üretilen bu çeliklerde ferrit ve martenzitin yanı sıra mikroyapıda perlit, beynit, sementit ve kalıntı ostenit de bulunabilir. Dual fazlı çelikler; ferrit+ostenit bölgesinde bir müddet bekletilmeyi içeren üç farklı ısıl işlem metodu ile üretilebilir.

Ticari olarak çift fazlı çelik üretimi Japonya, ABD ve bazı Avrupa ülkelerinde (İngiltere, İtalya, Fransa, Almanya ve Lüksemburg) yapılmaktadır. Ancak üretilen çift fazlı çeliklerin özellikleri ülkelerin ekonomik ve teknolojik durumlarına göre birbirinden bazı farklılıklar gösterir. Örneğin Japonya'da üretilen çift fazlı çelikler, ABD'de üretilenlere nazaran daha az karbon içermeleri nedeniyle daha yüksek kaynak kabiliyetine sahiptirler.

Ticari olarak dual fazlı çeliklerin üretiminde, yukardaki ısıl işlemleri içeren genellikle sürekli tavlama (continuous annealing) ve haddeleme (hot-strip mill rolling) metotları kullanılmaktadır. Diğer bir üretim olan ve soğuk haddelenmiş saçlara uygulanan kutu tavı (batch annealing) metodu ise, henüz gelişme aşamasında olduğundan çok dar bir uygulama alanına sahiptir. Söz konusu metotlar birbirlerine göre çeşitli avantaj ve dezavantajlara sahiptir.

Önerilen Makale: Çelik profil malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için upn çelik profil nedir sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
 

Haddeleme metodunda saça dual faz mikroyapısı kimyasal bileşimin ve üretim parametrelerinin dikkatli kontrolü ile sıcak haddeleme sonrasında kazandırılmaktadır. Bu metotta, sıcak haddelenmiş çeliğe iki kademeli soğutma uygulanmaktadır. Yüksek sıcaklıklarda yapılan haddelemenin son pasosunda sonra, hadde çıkışında çelik mikroyapıda %80-90 ferrit oluşacak bir hızda soğutulur. Mikroyapının geriye kalan %10-20`si, rulo sarma işleminden sonraki soğutma ile martenzite dönüştürülür. Bu işlem alışılagelmiş hadde tezgahlarının çıkış hızlarını ve çeliğin soğuma hızını kontrol ederek gerçekleştiğinden büyük yatırım masrafı gerektirmez. Ancak haddeleme metodu ile üretilecek çeliklerde, birinci soğuma kademesinde perlit, ikinci soğuma kademesinde beynit oluşumunu engellemek amacıyla ferrit dönüşümü hızlı, perlit ve beynit dönüşümleri yavaş olmalıdır. Sıcak haddelemede deformasyon oranının sınırlı olması ve alaşımlama için ek masrafa gerek duyulması, bu metodun dezavantajlarıdır. Sıcak haddeleme metodu ile 2 mm'den ince saçların üretimi mümkün değildir. 

Sürekli tavlama ve haddeleme metotları ile üretilmiş aynı mukavemetteki ticari çift fazlı çelikler ile yapılan çalışmalar, sıcak haddelenmiş çift fazlı çeliklerin daha az karbon içerdiğini ve mikroyapıdaki martenzit miktarının daha az olduğunu ortaya çıkarmıştır. Bunun sonucu olarak, haddeleme metoduyla üretilen çift fazlı çeliklerin daha yüksek kaynak kabiliyetine sahip oldukları söylenebilir.
 

Sürekli tavlama metodunda, sıcak veya soğuk haddelenmiş saçlar, rulo olarak sarılmadan önce, sürekli tavlama firmalarında "ferrit+ostenit" faz bölgesindeki sıcaklıklarda kısa bir süre (1-2 dakika) tavlanır ve uygun bir hızla soğutulur. Bu metot ile üretilen çift fazlı çeliklerin özellikleri, fırın sıcaklığının yanı sıra saçın fırın içindeki hareket hızına da bağlıdır. Sürekli tavlama metodunda sıcak işlem veya soğuk haddelenmiş saçlara uygulanan ekstra ısıl işlem kademesi maliyeti arttırıcı bir faktördür. Ancak sürekli tavlama metodu ile üretilen çift fazlı çeliklerin mekanik özelliklerinin homojen olması, bu metodun avantajlı yanıdır. 

Japonya'da, alaşımsız az karbonlu çeliklere uygulanan yeni bir sürekli tavlama metodu geliştirilmiştir. Bu metotta saç "ferrit+ostenit" faz bölgesinde tavlanıp, özel olarak dizayn edilmiş bir cihazda üzerine su püskürtülerek hızla soğutulduktan sonra, 200-300°C'de temperlenir. Japonya'da geliştirilen bu sürekli tavlama metodu ile alaşımlama masrafı en düşük seviyede tutabilmekte ve kalın kesitli çeliklerde de çift faz mikroyapısı oluşturabilmektedir. Ayrıca enerji sarfiyatının azaltılması, ısıl işlem süresinin kısaltılması, personel sayısının azaltılması da söz konusu metodun avantajları arasındadır.
 

Kutu tavı metodu henüz gelişme aşamasında olduğundan çok dar bir kullanım alanına sahiptir. Bu metotta soğuk haddelenmiş ve rulo olarak sarılmış saç ferrit+ostenit faz bölgesindeki sıcaklıklarda uzun süre tavlanır ve çeliğin bileşimine göre hava veya suda soğutulur. Ekstra ısıl işlem kademesinin maliyeti çok az etkilemesi bir avantajdır. Yüksek alaşımlama gerektirmesi (yavaş soğuma ile malzemenin sertleşebilmesi için) ve mekanik özelliklerinin soğuma esnasında rulonun merkezinden dış kısma doğru sıcaklık farkı meydana gelmesi nedeniyle homojen olmaması ise bu metodun dezavantajıdır. 

Dual faz mikroyapısında üretilecek olan saç malzemenin kalınlığına bağlı olarak haddeleme veya kutu tavı yöntemi uygulanır. Kalınlığı 2 mm'den daha fazla olan saçların sıcak haddelenmesi kritik sıcaklıklar arasında bitirilir ve bu sıcaklıktan itibaren uygun hızda soğutma yapılarak dual faz mikroyapısı elde edilir. Daha ince saçların üretiminde ise malzemeye sıcak haddeleme işlemi sırasında dual faz mikroyapısı kazandıran haddeleme yöntemi uygulanmaz. İnce saçların üretiminde kullanılan kutu tavı yönteminde, malzeme, soğuk haddelenerek istenilen kalınlığa getirildikten sonra rulo olarak sarılır. Rulo olarak sarılmış saç "ferrit+ostenit" faz bölgesindeki sıcaklıklar arasına ısıtılır ve su verilerek dual fazlı mikroyapısı oluşturulur. 

Soğuk haddeleme ile istenilen kalınlığa indirilen saçlara kritik sıcaklıklar arası bir ısıl işlem (direkt su verme) ile dual faz mikroyapısı kazandırılır. Uygulanan ısıl işlem tavlanmış çeliğin soğutma hızına göre üç sınıfa ayırmak mümkündür: 

1- Çok yavaş
2- Yavaş
3- Hızlı soğutma metodu. 

Çok Yavaş Soğutma Metodu

Minimum %2,5 mangan ihtiva eden düşük karbonlu çelik haddelendikten sonra kutu tavı ile "ferrrit+ostenit" bölgesindeki sıcaklıklara ısıtılır. Rulo halindeki çelik uzun süre sabit sıcaklıkta tutularak "ferrit+ostenit" mikroyapısı elde edilir. Daha sonra fırından çıkartılan çelik 20 °C/sn. gibi çok yavaş bir hızla soğutulur. Mangan çeliğin sertleşme kabiliyetini çok arttırdığı için bu hızda dahi dual faz mikroyapısı elde edilebilmektedir. Ancak mikroyapıda hemen hemen hiç kalıntı ostenit bulunmamakta, bunun yerine az miktarda ince perlit bulunmaktadır. 

Yavaş Soğutma Metodu

Kutu tavı yönteminde en fazla uygulanan metottur. Çelik fabrikalarında mevcut olan paslanmaz çelik ve galvaniz hatlarından faydalanılarak sürekli halde kritik sıcaklıklar arası ısıl işlem yapılmaktadır. Böylece hem kitle halinde, hem de ekonomik olarak dual fazlı çelik üretimi mümkün olmaktadır. Soğuk haddelenen çelik 15 °C/sn. hızla kritik sıcaklıklar arasına ısıtılır ve bu sıcaklıkta 60 saniye tutulduktan sonra 10-20 °C/sn hızla soğutulur ve 200°C altında rulo olarak sarılır. Soğutma gaz-jet soğutma sistemiyle yapılmaktadır.

Hızlı Soğutma Metodu

Alaşımlı çeliklerin yanı sıra, alaşımsız düşük karbonlu çeliklerde de dual faz mikroyapısı elde etmek mümkündür. Bu çelikler % 0,05- 0,15C ile % 0,3-0,6Mn ihtiva ederler. Isıl işlem sürekli tavlama hattında yapılır. Hızlı soğutma metodunda soğuk haddelenmiş çeliğin kritik sıcaklıklar arasına ısıtılma hızı ve bu sıcaklıkta tutma süresi yavaş soğutma metodundaki değerlere yakındır. Ancak oluşan ostenitin sertleşme kabiliyeti düşük olduğu için soğutma hızı 1000 °C/sn.'den daha büyük olmaktadır. Su verme işleminden sonra dual fazlı çeliklerde sünekliğin arttırılması için 500°C'nin altında kısa süreli temperleme yapılır.